（机械制造及其自动化专业论文）碳钢摩擦热处理后的显微组织及力学性能.pdf

摘要 摩擦强化是利用摩擦热对工件表面进行强化处理的新工艺，具有节能、高效、环 保等优点。 本文以4 5 钢和3 5 m n 钢为研究对象，采用端面干摩擦的方式进行摩擦强化试验。 利用数显洛氏硬度计h r s 1 5 0 测定试样的强化硬度；利用扫描电子显微镜拍摄试样的 金像组织进行强化分析；利用a n s y s 有限元软件，对摩擦强化温度场进行模拟。 试验发现：试样表面存在一定的强化区；强化区内的显微组织中含有大量的、均 匀分布的马氏体；强化区内的表面硬度达到淬火硬度。 实验结论：摩擦淬火工艺完全可以实现。 关键字：4 5 钢3 5 m n 钢摩擦强化组织分析仿真 a bs t r a c t t h ef r i c t i o n h a r d e n i n gp r o c e s si san e wk i n do f t e c h n i q u et oq u e n c ho nt h es u r f a c eo f t h es p e c i m e nw i t ht h ea d v a n t a g eo f e n e r g y s a v i n g ，h i g he f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n ds oo n n l em o s ti m p o r t a n tp o i n to ft h et e c h n o l o g yi s t h a t ，i tm a k e su s eo ft h eh e a t p r o d u c e dd u r i n gt h ef r i c t i o np r o c e s s ，n l i st h e s i st o o kt h es t e e l4 5a n ds t e e l3 5 m na st h et e s t i n gs a m p l e s 1 1 1 et e s tu s e dt h e w a yo fe n d - t o e n df r i c t i o nt oc a r r yo nt h ef r i c t i o n h a r d e n i n g 1 1 1 ef i n a lr e s u l ta n a l y s i su s e d t h ed i g i t a lh r s 15 0r o c k w e l lh a r d n e s st e s t e rt om e a s u r et h eh a r d n e s so ft h es u r f a c eo nt h e s p e c i m e n sa n du s e dt h ee l e c t r o n s c a n n i n gm i c r o s c o p et ot a k et h em i c r o s c o p i c a lp h o t o s 1 1 1 e p a p e ra n a l y s e st h eh a r d e n i n gm e c h a n i s mi nu s i n gt h ep h o t o so fr n i c r o s t r u c t u r e s a tl a s t ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l do ft h es p e c i m e nw a ss i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i su s i n ga n s y s s o f t w a r e ，n l et e s ti n d i c a t e st h a t t h e r ei sah a r d e n e d a r e ao nt h es u r f a c eo ft h e s p e c i m e na n dt h e r e i sam a s s i v em a r t e n s i t ei nt h ea r e a , w h i c hd i s t r i b u t er e g u l a r l y a tt h es a m et i m e ，t h eh a r d n e s s o ft h ea r e aa c h i e v e st h eq u e n c h i n gh a r d n e s si nt h eh a r d e nz o n e e x p e r i m e n tc o n c l u s i o n ：n ep r o c e s so ff r i c t i o n h a r d e n i n gc a nd e f i n i t e l yr e a l i z ei n p r a c t i c e k e y w o r d s ：s t e e l4 5s t e e l3 5 m n f r i c t i o n - h a r d e n i n gm i e r o s t r u e t u r a la n a l y s i s s i m u l a t i o n i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，碳钢摩擦热处理后的显微组织及力学 能是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：钩且年三月墨日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所和中国学位论文全文 数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名趣至! z ! 年三月墨日 指导导师签名名生弪塑年上月堕日 第一章绪论 1 1 热处理的概述 1 1 1 热处理的定义 为提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度及抗蚀能力而进行的热处理工艺是大部 分机械加工过程需要涉及的环节。所谓热处理，就是将钢在固态下，通过加热、保温 和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。热处理和其他加工不同， 它只改变金属材料的组织和性能，而不以改变其形状和尺寸为目的。热处理和其他加 工工序一起，构成零件完整的加工过程。热处理是改善毛坯或原材料的工艺性能、保 证产品质量、延长使用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。 零件加工过程中，热处理作为独立的工序常穿插在毛坯制造和切削加工某些工序之 间进行。其作用有二：一是材料、毛坯或半成品消除上一工序加工过程中产生的组织 缺陷并改善工艺性能，为后续的实施做准各。这一目的可以通过退火、正火等方法来 实现。通常又将为此目的进行的热处理称为预备热处理。二是材料的机械性能提高， 达到零件的最终使用要求。这一目的可以通过淬火、回火、表面淬火和化学淬火等方 式实现。这类热处理又称为最终热处理。 1 1 2 常用的热处理方法 1 、整体热处理 ( 1 ) 退火与正火退火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却( 一 般随炉冷却) ，使钢获得接近平衡状态的组织。退火可以降低工件的硬度，以利于切削 加工或其他种类加工；退火可以细化晶粒，提高钢的塑性和韧性；退火可以消除内应 力，并未淬火工序做好准备。退火分为三类：完全退火、球化退火和低温对火。 正火的作用与退火的相似，它是将钢加热到奥氏体区，使钢进行重新结晶，从而 解决晶粒粗大和组织不均的问题。但是，对一般结构用钢，正火的加热温度稍高。正 火与退火最大的不同点在于正火是在炉外空气中冷却工件，而正火的冷却速度比退火 要快，所获得的组织比退火更细，因此同样的钢件在正火后的强度、硬度比退火后要 高些，但消除内应力不如退火彻底。正火是工件在炉外冷却，不占用设备，生产率较 高，成本降低。正火主要用于：取代部分退火、用于普通结构件的最终热处理、用于 过共析钢。 ( 2 ) 淬火与回火 淬火是将工件加热到4 ，温度使工件奥实体化，然后在水或油中快速冷却( 水的冷却 能力比油强1 ，获得高硬度的马氏体组织。淬火后，钢的硬度和强度大大提高，但脆性 增强，并产生很大的内应力。由于淬火过程中将伴随马氏体膨胀，于是造成淬火内应 力，容易使工件产生淬火内力或变形。为了减小淬火钢的脆性，得到所需的性能，并 消除内应力，钢淬火后必须进行回火。 回火是将淬火的工件重新加热到4 以下某温度，保温后冷却的热处理工艺。回火 的主要目的是消除淬火内应力，降低工件的脆性，防止产生裂纹，同时使钢获得所需 的力学性能。很据加热温度不同，回火可以分为以下三种： 低温回火回火温度大约在1 5 0 2 5 0 。c 之间，其目的是在基本保持淬火高硬度 的前提下，适当的提高淬火钢的韧性低淬火应力。 中温回火回火温度大约在0 4 5 0 c 之间。用于需要足够硬度、高的弹性并保 持一定韧性的零件。 高温回火回火温度大约在5 0 0 - - , 6 5 0 c 之间。高温回火后硬度大幅降低，但可 获得较高的强度和韧性良好配合的综合机械性能。 2 、表面热处理 ( 1 ) 表面淬火表面淬火是将钢件的表面层淬硬到一定的深度，而心部仍保持为 淬火状态的一种局部淬火方法。表面淬火时通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬 火温度，在热量来不及传到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。表面淬火的主要方 法有：感应淬火、火焰淬火、点接触淬火、激光淬火等。 ( 2 ) 化学热处理化学热处理是将工件置于一定化学介质中加热和保温，使介质 中的活性原子渗入工件表面层，以改变工件表面层的化学成分和组织，从而获得所需 的力学性能或理化性能。化学热处理的主要方法有：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 1 1 3 应用现状和发展前景 近年来，国外热处理技术发展很快，包括可控气氛热处理、真空热处理、离子热 处理、新型化学热处理、高能率热处理以及电子计算机在热处理中的应用等，此外， 节能、节材的工艺和设备也在不断地发展。建国以来，我国的热处理技术也有了很大 的发展，现有热处理生产厂一万余家，热处理加热设备1 0 多万台，年生产能力6 6 0 多 万吨钢件，年产值约5 0 亿元。目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺 研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理设备和实际生产水平方面却存在 着较大的差距，还没有完全扭转热处理工艺和热处理设备落后、氧化脱碳严重、产品 质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。为促进我国热处理技术的 发展，我们应全面了解国内外热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展 先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术， 实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产 。加强热处理的基础 理论研究，大力发展多参数热处理和复合热处理工艺，采用新的加热源和新的加热方 式，采用新的淬火介质和改进淬火方法。 1 2 摩擦热处理方法的提出 1 2 1 摩擦的定义及分类 摩擦：两个相互接触的表面发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触表面间 产生的阻止相对运动或相对运动趋势的现象称为摩擦。阻止相对运动或相对运动趋势 2 的力称为摩擦力。摩擦的分类方法很多，因研究和考察方法的依据不同，其分类方法 也就不同。常见的分类方法有下列几种。 1 、按摩擦副的运动形式分类： ( 1 ) 滑动摩擦；( 2 ) 滚动摩擦 2 、按摩擦副的运动状态分类： ( 1 ) 静摩擦；( 2 ) 动摩擦 3 、按摩擦是否发生在同一物体分类： ( 1 ) 内摩擦；( 2 ) 外摩擦 4 、按摩擦副的润滑状态分类： ( 1 ) 干摩擦；( 2 ) 流体摩擦；( 3 ) 边界摩擦；( 4 ) 混合摩擦( 两接触表面同时存在着 流体摩擦、边界摩擦和干摩擦的混合状态时的摩擦) 混合摩擦一般是以半干摩擦和半流体摩擦的形式出现：a 半干摩擦；b 半流体摩 擦。 1 2 2 摩擦强化工艺的提出 1 、理论依据：从微观分子的角度解释摩擦生热现象，就是克服摩擦做功，使系统 内能增加。具体是做功改变了系统的能级，从而改变了内能，即摩擦使一定数量的分子 在能级间发生跃迁，由低能级向高能级跃迁，因此使系统内分子在各个能级上的分布 数发生变化。所以，做功是将其他形式的能量通过有序的形式转变为系统的内能，摩 擦通过有序的来回运动，把机械能转化为内能。那么，钢要达到进行热处理的目的， 首先其表面瞬时温度要达到临界温度，并且要形成一定的温度梯度分布。既然摩擦的 本质是通过摩擦作功使一对摩擦副之间的表面原子或分子从低能级跃迁到高能级，宏 观表现为表面温度上升。那么作功的快慢，即摩擦作功的功率大小可以决定表面温度 上升的程度，换句话说，只要摩擦副之间的相互运动速度足够大，表面温度可以上升 到极限状态表面熔融。当然进行热处理是可以实现的。 2 、现实依据：摩擦焊技术的成熟及应用。目前，众所周知的摩擦焊接，如一般端 面摩擦焊、径向摩擦焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊等是最节能环保的焊接方法。因此， 摩擦焊接技术应用范围不断扩大。一般焊接都要加热，使两个要焊接的金属材料达到 熔融状态。 由上可知：摩擦完全可以将工件的温度升高到临界温度，即完全可以实现摩擦热 处理。 1 2 3 摩擦热处理的特点 1 、具有显著的节能效果 至今为止的热处理方法中高频感应热处理是公认的节能性最好的热处理。因此， 就以高频感应热处理与摩擦热处理的耗能情况比较就可以说明摩擦热处理的节能特 点。 ( 1 ) 高频感应热处理能量消耗情况： 以现有文献资料可查得高频感应热处理的耗能情况可以按如下计算：高频淬火设 备由电源、变压器、感应线圈和水套等构成，这些组成部分中，电源消耗功率平均约 为1 0 ( 一般在5 1 5 ) 、频率转换消耗功率平均约为7 ( 般在5 1 0 ) 、输 电消耗功率平均约为3 5 ( 一般在2 5 ) 、磁损耗约为1 0 、冷水被加热带走感 应产生的热量近5 0 、感应电流消耗约1 0 。还有一些热传导、辐射和空气之中的对 流等消耗，按上述有据可查的数据，高频热处理最后可用于工件加热的能量可按下式 计算： 1 0 0 1 0 = 9 0 ( e g 源消耗后余下部分) 9 0 ( 1 7 ) = 8 4 ( 频率转换后余下部分) 8 4 ( 1 3 5 ) = 8 1 ( 输电消耗后余下部分) 8 1 ( 1 1 0 ) = 7 3 ( 磁损耗后余下部分) 7 3 ( 1 5 0 ) = 3 7 ( 冷水带走热量后余下部分) 3 7 ( 1 - 1 0 ) = 3 3 ( 感应电流消耗后余下部分) 从上述数据和计算可知，高频感应热处理中可用于加热工件用的有效能量只有约 为3 3 ，而6 7 以上均为无效消耗的能量。 ( 2 ) 摩擦热处理能量消耗情况： 摩擦热处理是通过电机把电能直接转换成机械能、机械能直接转换成热量来加热 工件，中间环节很少。当前电机的效率平均为9 3 ，考虑到摩擦头的吸热和热量在空 气中的散失量1 3 ，那么摩擦热处理可用于工件加热的有效能量可达8 0 。 由上面数据充分说明，摩擦热处理节能效果相对高频热处理非常明显。如果与其 它热处理比较具有不可比拟的节能效果的特点。 2 、具有很好的环保效果 高频感应热处理是当前国内外公认的环保热处理，但高频感应热处理存在电磁幅 射、产生弧光和有害气体，而摩擦热处理不存在高频感应热处理存在的污染环境和有 害健康的因素。因此，摩擦热处理是非常环保的绿色热处理技术。 3 、生产效率高 摩擦热处理准备工序简单、加热时间短，其热处理效率与摩擦焊接和高频感应热 处理相同。因此，能够达到很高的热处理效率。 4 、提高工件的综合机械性能 摩擦热处理淬火，淬硬层具有高的硬度和耐磨性而心部基体材质组织结构不变， 具有很好的塑性及韧性。所以使工件的抗冲击性和耐用度大大提高。 5 、大幅度地降低热处理成本 从节能和提高热处理效率角度，摩擦热处理都非常明显地降低热处理成本；再从 提高工件机械性能的来考虑，摩擦热处理的经济效果将是非常可观的。 6 、可应用范围广 摩擦热处理不但可广泛应用于各种轴类形状零件的柱面热处理，而且可用于不同 4 形状的端面热处理，如汽车半轴、凸轮轴、曲轴以及轧钢厂冷轧辊的柱面热处理，还 有锤头、汽阀项杆、汽车调节螺钉、各种模具脱模机构中顶杆的端面热处理等。 1 3 国内外现状简介 现阶段，国内外与摩擦热处理相关的工艺主要包括两种：是磨削强化；二是摩 擦焊【1 】o 一、磨削强化工艺的概述 近年来，钢制零件的表面强化处理，大多采用传统的高频或中频感应加热淬火。之 后一般还要进行磨削加工，以获得所要求的尺寸精度、形状精度和表面质量。传统的 表面淬火加磨削工艺存在两个主要问题：一是表面强化热处理工艺难以集成到产品生 产线上、自动化程度低。二是磨削加工时，磨削热可能会对已强化材料造成热损伤。长 期以来，国内外对摩擦类热处理的研究主要集中在磨削热上，而且一直视磨削热为消 极因素。近十几年来，一些学者开始主动的研究如何有效的控制磨削参数和工艺，从 而有效的利用磨削热，实现对工件表面的热处理。这期间，初步形成了磨削淬硬表面 强化技术。该技术试图将机械加工中的消极因素一一磨削热转变成积极因素。磨削强 化处理技术是利用磨削热替代传统热源对钢件表层进行强化处理，将磨削加工与表面 强化合为一体。在这种背景下，德国学者eb r i n k s m e i e r 和b r o c k h o f f t 于1 9 9 4 年率先提 出磨削淬硬技术。该技术可以概括为：首先利用粗磨加工产生的磨削热，在磨削加工过 程中直接对工件表面进行表面淬火，然后再用精磨加工达到工件所要求的精度，从而解 决了磨削中的热损伤和表面淬火难以在生产线集成的问题，实现了磨削加工与表面淬火 相集成的新的加工工艺。磨削强化是磨削加工与表面淬火的集成过程，其工艺过程如下： 在零件上首先利用粗磨产生的大量磨削热取代传统的表面淬火热源以达到工件表层强 化的目的，然后再精磨获取所要求的精度和表面质量，从而省去感应加热表面淬火工艺， 简化生产工艺。2 0 0 0 年澳大利亚的z h a n g l c 和z a r u d ii 申请了关于磨削加工和表 面淬火集成工艺的专利1 2 j 。2 0 0 2 年，澳大利亚的z a r u d i i 等学者通过对调制态a i s l 4 1 4 0 钢零件进行磨削强化试验，并根据工件组织显微分析结果明确指出：与常规淬火相比， 磨削强化后的组织外表层具有超精细板条马氏体和少量胞状多边形为错结构。同时磨 损与疲劳性能试验结果还表明，与常规淬火件或非淬硬件相比，高硬度、超精细化晶 粒于多边形为错结构增加了磨削强化后组织的热化学稳定性，从而使工件磨损率、摩 擦系数和疲劳寿命得到了显著的改善，充分证明了该工艺的应用优势。 目前为止，国内外学者在磨削淬火工艺的研究方面做了许多工作并取得了一定的成 果，但仍然存在下列技术问题，使得磨削淬火工艺在生产实际中的应用受到限制。磨削强 化的主要缺陷：磨削淬火的理论研究较薄弱磨削淬火是一个复杂的过程，主要受到磨 削技术和淬火技术两方面的影响；磨削淬火技术的工艺稳定性较差；磨削淬火技术应 用范围较型引。 二、摩擦焊技术的概述 摩擦焊是一种现代金属固相热压焊方法，即把两种焊件的结合面作相对高速运动， 5 借助于摩擦热使接触部分达到塑性状态，再经加压而连接成一体的一种工艺方法。它 是一个包含着热、力、冶金、传动极其相互作用的复杂过程。焊接质量高、可靠、焊 件尺寸精度高；耗能低，节能效果显著；摩擦焊新技术有4 个不用的优点，即：不用 焊条、不用焊丝、不用焊药、不用保护气体；生产效率高，便于实现自动化；具有广 泛的可焊性。摩擦焊不仅可以用来焊接普通钢、合金钢和有色金属，而且还可以将两 种性质完全不同的金属材料，诸如铸铁和钢焊在一起，也适用于焊接性能相差较大的 异种金属及异种材料，如合金与塑料、陶瓷等非金属材料实现相接。 对于摩擦焊从能量的施加方式来讲，分为连续驱动摩擦焊( d i r e c t d r i v ef r i c t i o n w e l d i n g ) 和惯性摩擦焊( i n e r t i a - f r i c t i o nw e l d i n g ) 。在连续驱动摩擦焊过程中，其中的一 个工件连到驱动机上以一定的速度进行转铆而另一个工件保持不动，两工件相向运动， 端面相互接触在摩擦力的作用下产生热量，再加上两端比较大的项锻压力，在高温高 压下使两个工件结合在一起。 摩擦焊按摩擦运动形式分为旋转式和轨道式两大类，按旋转方式分为普通摩擦焊 和径向摩擦焊。旋转式摩擦焊主要用于圆截面焊件的焊接，而轨道式摩擦焊主要用于 非圆截面的焊接。随着摩擦焊接的广泛应用，会出现越来越多的摩擦焊接工艺方法。 1 4 有限元分析方法的介绍 在摩擦热处理过程中，对摩擦温度场的分析比较重要，试验后期工作中将采用有 限元分析的方法对摩擦温度场进行模拟仿真，故对有限元分析方法做简要的介绍。 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单的问题代替复 杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一 单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的 平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被 较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度 高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几 个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形( 有限个直线单元) 逼近圆来求得圆 的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方 法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力 学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和 普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成 为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义。根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区 域。 第二步：求解域离散化。将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的 有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小( 网络越细) 6 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解 域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法。一个具体的物理问题通常可以用一组包含问 题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等 价的泛函形式。 第四步：单元推导。对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其 中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的 离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要 的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不 仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解。将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ，反映 对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是 在相邻单元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释。有限元法最终导致联立方程组。联立方程 组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。 对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重 复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有 限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信 息，了解计算结果。 1 5 论文开展的研究工作 由于热处理的方法很多，要想在研究生阶段全部作研究比较困难，论文选择了淬 火为主要研究方向。论文选取4 5 钢和3 5 m n 钢为研究对象，开展以下工作： ( 一) 理论部分 ( 1 ) 根据传热学理论，研究摩擦强化温度场； ( 2 ) 建立摩擦强化的数学模型和物理模型。 ( 二) 实验部分 ( 1 ) 摩擦强化试验方案的制定一一采取端面对磨的方式； ( 2 ) 试样的制作以及摩擦副的选择( 摩擦副材料为：y g 6 x 硬质合金) ； ( 3 ) 摩擦试验机床的选择：c 4 d q j 型摩擦焊机； ( 4 ) 不同转数下的对摩试验一一分别为25 0 0 r r n i n 和l5 0 0 r r a i n ； ( 5 ) 通过实验获得强化部分的金相显微组织。 ( 三) 分析部分 ( 1 ) 通过数显洛氏硬度计测定强化部分的硬度； ( 2 ) 通过扫描电子显微镜分析强化区的组织形貌和强化层深度； 7 ( 3 ) 通过对比原始组织和强化后的组织判断淬火是否成功； ( 4 ) 运用有限元分析软件a n s y s 对摩擦强化温度场进行动态仿真。 第二章摩擦热分析 论文后期，要对摩擦温度场进行有限元仿真，故在本章引入传热学基础和温度场 模型。 2 1 传热学基础 在生产和生活中，我们会遇到大量的热传递现象，经过人们总结可知：凡是有温 度差的地方，就有能量自发地从高温物体传向低温物体。由于自然界和生产技术几乎 到处存在着温度差，所以热传递就成为自然界和生产技术中一种非常普遍的现象。 2 1 1 热量传递的基本方式 热量传递的方式主要有：热传导、热对流和热辐射三种。 ( 1 ) 热传导：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微 观粒子的热运动进行的热量传递称为热传导。例如，物体内部热量从温度较高的部分 传递到温度较低的部分，以及温度较高的物体把热量传递给与之接触的温度较低的另 一物体都是导热现象。通过试验经验的提炼，热传导现象的规律己经总结为傅立叶定 律。 ( 2 ) 热对流：热对流是指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺合所引起 的热量传递方式。对流换热仅能发生在流体中，而且必然伴随有导热现象。对流换热 按引起流体流动的原因不同，可分为自然对流和强制对流。工程上常遇到的不是单纯 对流方式，而是流体流过另一物体表面时对流和导热联合起作用的热量传递过程。 ( 3 ) 热辐射：物体通过电磁波传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐 射能，其中因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。物体温度越高，单位时间辐射 的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。实质上， 在真空中的热辐射效率最高。 2 1 2 导热基本定律傅立叶定律 + 单位时间内通过单位面积所传递的热量，正比例与垂直于截面方向上的温度变化 率，即 q 鱼 ( 2 1 ) 。一 i，_j fa x 此处温度变化率是温差出和距离缸比值的极限，即 温度变化率：l i m 坐：譬 ( 2 2 ) 血_ o xo x 引入比例常数可得， q 一, t v 知o t ( 2 3 ) 这就是导热基本定律，又称傅立叶定律的基本表达式。式中负号表示热量传递的 方向指向温度降低的方向，这是满足热力学第二定律所必需的【1 3 】。傅立叶定律用文字 来表达是：在导热现象中，单位时间内通过截面的热量，正比例与垂直于该截面方向 9 上的温度变化率和截面面积。它是导热现象规律性的经验总结。 傅立叶定律用热流密度g 表示时有下列形式： 口：一旯些 ( 2 4 ) 一 彘 温度梯度可以表示如下： l i r a 堕，z ：r a d t ：o t g r a d t 刀 ( 2 5 ) ，i 。石船22 一o n 刀 。厶) j 其中刀表示为单位法向向量；昙表示温度在，2 方向上的导数。 温度梯度在空间坐标三个坐标轴方向上的分量，等于其相应的偏导数： g r a d t = 鱼o x o xf + 拿o y ，+ 萎 ( 2 6 ) 仍 用向量表示傅立叶定律的表达式为： q = - a g r a d t ：一五譬刀 ( 2 7 ) 2 1 3 温度场和导热系数 ( 1 ) 温度场 傅立叶定律表明，导热热量与温度梯度有关，所以研究导热必然涉及物体的温度 分布。一般的讲，物体的温度分布是坐标和时间的函数，即 f = i ( x ，y ，z ，f ) ( 2 8 ) 式中，x ，y ，z 为空间直角坐标，f 为时间坐标。 温度场是各时刻物体中各点温度分布的总称。温度场分为两类：一类是稳态工作 条件下的温度场，各点的温度不随时间而变化；另一类是瞬态温度场温度分布随时间 的变化而变化。 ( 2 ) 导热系数 导热系数的定义式由傅立叶表达式给出：， 五= 一_ o 兰t 一 ( 2 9 ) ，2 锄 数值上，它等于在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度。导热系数的数 值取决于物质的种类和温度。金属的导热系数通常都很高。 2 2 摩擦温度场 摩擦温度场，顾名思义是在摩擦强化试验中由摩擦热产生的温度场，包括摩擦副 温度场和试样温度场，本文主要对试样温度场进行研究。对摩擦温度场的研究，有助 于对摩擦强化效果的分析，对完善摩擦强化工艺有至关重要的作用。 l o 2 2 1 导热微分方程 由传热学知识可知，任意方向的热流量总可以分解成为x ，y ，z 三个坐标轴方向的热 流分量。通过z = x ，y = y ，z = z z 个表面导入微元体的热流量，根据傅立叶定律可 直接写成如下： q 一磋舭 g 一哆砒 q ：一l 要d y d y l ( 2 1 0 ) 通过x = x + d x ，y = y + d y ，z = z + 出三个表面导出微元体的热流量亦可按傅立叶 定律写出如下： 卅去( r + 罢出) 撇 g + 毋= 一五昙( f + i a td y ) d x d z 一丢( f + 纠姗 ( 2 1 1 ) 按照能量守恒定律，如果物体内部没有热源，那么在稳态条件下，导入微元体热 流量的总和应该等于导出微元体热流量的总和，故写出下列热平衡式： 导入微元体的总热流量= 导出微元体的总热流量( 2 1 2 ) 将( 2 1 0 ) 、( 2 “) 代入( 2 1 2 ) 可得： 名【簧+ 笔+ 笔】d x d y d z = o c 2 m ， 刀【瓦+ 丙+ 瓦j - 0坦1 ” 式中五及d x d y d z 总是不等于零的，于是能量守恒定律的最终结果可表示为： 了0 2 t + 拿+ 娶：一(2140 4 )_ + 一+ _ 20z) a x a 。y 0 。z 这就是对一切稳态、无内热源、常物性导热问题普遍适用的导热微分方程。当然， 还存在非稳态及有内热源的导热微分方程。 2 2 3 摩擦温度场边界条件 ( 1 ) 摩擦温度场的单值条件 导热微分方程描述了导热问题的“共性 ，但要得到一个确定的导热问题的解( 温 度场和热流) ，还需要给定问题的“个性”，即单值条件。单值条件包括以下几项： 1 、几何条件：必须说明参与过程的物体的大小和形状。如果是各向异性材料，还 要给出导热系数主轴的方向。 2 、物理条件：给定各种有关的物性量的值，包括随温度变化的函数关系、是否有 内热源以及内热源的大小和分布。 3 、时间条件：说明过程在时间上的特点。稳态过程不需要时间条件，对于非稳态 过程，则要给出初始温度分布，即初始条件。 4 、边界条件：描述在区域边界上过程进行的特点。 几何条件和物理条件通常体现在导热微分方程的简化和坐标系的选择中，而时间 条件( 对非稳态问题) 和边界条件则体现为单独的数学表达式。 边界条件用数学描述如下： 第一类边界条件：u ( o ，) = k h ( t ) ，u ( t ，f ) = k t 2 ( t ) ，表示测出端点的温度或浓度。 第二类边界条件：“，( o ，f ) = q ( f ) ，u x ( ，t ) = 屹( f ) ，表示测出端点的热量或原子( 或 分子) 数。如果在，端是绝热的，即：甜，( ，r ) = 0 称为绝热条件。 第三类边界条件：如；k u ，( 1 ，t ) + h u ( 1 ，t ) = 乡( f ) 表示与外界按热传导中的牛顿定律 进行热交换，即自由冷却。 ( 2 ) 摩擦导热微分方程 摩擦热处理的传热过程由于热源唯一、传导介质均匀、方向为一维。根据边界条 件可以划定为一维热传导的范围之内。推导摩擦热处理微分方程如下： 根据傅立叶定律，沿x ，y 及z 轴传入微元体的热流量为： q 一磋撇 a u y d d z q ：一五拿栅 院 从微元体流出的热流量为： q ，* * = - , z 戗a - - ( r + 塞出) 舭 叫融驯砒 一毫( r + 塞出) 螂 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 摩擦温度场没有内热源，根据能量守恒定律有：流入与流出微元体的热流量差额 等于单位时间内微元体蓄热量的增量。温度场t 是坐标及时间的函数，即 f = y ( x ，y ，z ，f ) ( 2 1 7 ) 既单位时间内微元体蓄热量的增量为： q ：p c 妄d x d y d z ( 2 1 8 ) l n 将( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 8 ) 带入( 2 1 7 ) 式，经整理可得： 1 2 心塞= 五( 爰+ 筹+ 笔1 c 况 i 。x。y 。zj 脯， 石t ：3 f t 烈2f f 瓦t 9 2 t + 鸶+ 甍 d f j d lid x 1 ，d zj 一维、稳态传热状况下，导热微分方程为： a t名a 2 f 一= 一一 a fc p 苏2 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 式( 2 2 1 ) 即为摩探强化过程中的导热微分方程。 2 3 摩擦强化温度场模型 2 3 1 数学模型的建立 如上所述，本试验所涉及传热过程适用于第一类边界条件：即给出了物体表面温 度0 随时间t 变化的关系： o - - f ( f ) ( 2 2 2 ) 在稳态过程中0 = 定值，称为定温壁。在f = 0 时，导热物体各处温度均匀，都为岛， 则初始条件是r = 0 时，f = t o = 定值。在不稳定导热过程中，该表面温度不变，一直保 持为乙。这时具有边界条件： x = 0 ( f - 0 时) 处 ri = 定值。 在上述初始条件及边界条件下，由数学解析法求得的特解： r = t w + ( f o 一乙) p ，歹( 7 7 ) ( 2 2 3 ) 其中e r f ( 刁) 称为高斯误差函数： p 矿( 刁) = p 矿( 焘) = 去，孝唧( 彳) 却 ( 2 “) 式中的t w 、t o 、t 、x 1 、a 为已知的，由以上已知条件可求出t 。其中，气，f ，五 为给定的，口= 生，c ，p 为材料与温度所决定的参数。e r f ( v ) 的值可由7 7 = 的 c p 2 x a f 值确定，具体数值可在相关表中查的，其中f e 。出可由辛普生( s i m p s o n ) 求积公式 得。 辛普生公式为： ，等 厂( ) + 3 厂( _ ) + 3 s ( x 2 ) + 厂( 而) ( 2 2 5 ) 对p 矿( ，7 ) 求积的过程为： x o - o 五= 焘屯= 蠢x 3 - 焘 形( 刁) = 志+ 志p 丢+ 志口丢+ 志p 丢 晓2 6 ， 将上式带入式( 2 2 3 ) 得： q = p c a i ( t t o ) a 并 q = 删r o t o + ( t o - t w ) e ，厂( 7 7 ) k q = 夕c 4 ( o f 0 ) + p c 么( 岛一乙) j y e r f ( r 1 ) d ， 以上即为摩擦摩擦强化试验中温度场传热过程数学建模过程。 2 3 2 物理模型的建立 实验中工件固定在水平移动夹具上，轴向固定不动；摩擦副固定旋转夹具上，轴 向转动，水平方向上固定不动。摩擦强化试验理模型如图2 1 所示： 彦霆咖垫一 _ h n 卜一一一二 + 一一一 ih 。 il 图2 1 平面摩擦的传热模型 ( 1 ) 假设整个过程中转速不变，摩擦副和工件表面没有磨损，顶紧力不变。研究 摩擦温度主要考虑的是工件表面层的最高温度。 ( 2 ) 摩擦试验进行时，工件和摩擦副表面的随机颗粒之间相互摩擦，这些相互摩 擦的颗粒就构成了点热源，这些随机摩擦点热源的集合可以近似的认作为是一个连续 分布的平面热源。这个平面就是摩擦副和工件的接触面。从试验过程我们可以发现： 这些点热源构成的平面热源可以看做是一个持续发热的均匀而恒定的面热源，其单位 时间单位面积的发热量为g ，这就构成了我们对摩擦强化表面温度场仿真的理论基础。 ( 3 ) 利用有限元a n s y s 软件对工件表面温度场进行仿真时，需要计算出热流量 g 。由摩擦学知识可知摩擦强化过程中热流量为： g ：一n ：之 ( 2 2 7 ) 口= 一= ： l z s霄r 式中： s 摩擦副与工件接触面积( 即工件端面面积) f 切向摩擦力 摩擦加热功率 ，工件端面半径 1 4 2 4 本章小结 本章主要介绍了传热学的基础理论、摩擦温度场以及温度场模型的建立。根据传热学 的理论推导出的摩擦温度场的数学模型，根据实物抽象出摩擦试验的物理模型，为深 刻理解摩擦强化的机理奠定了基础。同时，模型的建立也为后期温度场仿真中参数的 设定提供了方法。 第三章摩擦强化工艺试验 摩擦强化是一种刚刚处在研究阶段的新工艺，属于摩擦热处理范畴。工件和摩擦 副相互摩擦时会产生大量的摩擦热。摩擦热使工件表面的温度在短时间内升高到奥实 体化的温度，即加热到4 或4 以上3 0 5 0 。c 然后迅速冷却到马氏体相变的温度， 获得马氏体组织，从而提高工件表面的强度、硬度和耐磨性，以达到淬火的目的。本 章以4 5 钢和3 5 m n 钢作为试验对象，进行摩擦强化试验。 3 1 试验前的工作准备 本试验是利用摩擦热来对工件进行表面强化，是种全新的工艺，所以完全没有 前人的经验可寻，只能是创造性进行。试验准备工作包括：机床的选择，摩擦副的选 择，试样的制作，温度测量计的选择等。试验方案的设定的主要内容有：机床转速的 选择，摩擦副材料的选择，摩擦方式的确定等。 3 1 1 机床的选择 摩擦试验是本论文最主要的实验部分它作为整个实验最先开始的一个部分，摩 擦试验的好坏直接影响所得试样强化的结果，强化结果的好坏直接影响后续分析的结 果，从而间接影响到对摩擦强化工艺的研究。因此，摩擦试验是非常重要的环节。根 据试验要求，需要选择一种具有可调转速、确定预定力的机床，并要保证一定的稳定 性。根据现有条件，选择了长春数控机床有限公司生产的c - 4 d q 连续驱动摩擦焊机。 长春数控机床生产的摩擦焊机，完全可以满足藐们对于机床的要求。机床如图3l 所示： 图3i c - 4 d - q 连续驱动摩擦焊机 摩擦焊机的主要性能如表3 1 所示 一一目 表3 1c - 4 d q 主要性能指表 产品名称连续驱动摩擦焊机 单位 型号 c - 4 d - q 最大顶锻力 4 0千牛 主轴最高转速2 5 0 0转份 焊件直径 8 1 4 毫米 旋转夹具夹料长度 5 0 2 7 0 毫米 移动夹具夹料长度1 0 0 3 7 0毫米 滑台最大行程 3 2 0毫米 总功率 1 6 千瓦 生产率 1 0 0 , - - - , 1 8 0件耐 轮廓尺寸( 长宽x 高) 2 4 0 0 1 0 2 0 1 6 2 0毫米 重量 3 2 屯 3 1 2 摩擦副的选择 本试验采用的对磨方式进行摩擦，所以所选的摩擦副应具有较强的耐磨性、较好 的耐高温性、较高的硬度和较高的热硬性。经过慎重的筛选，最后决定选择硬质合金。 硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物( w c 、t i c ) 微米级粉末为主要成分，以钴 ( c o ) 或镍( n i ) 、钼( m o ) 为粘结剂，在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶 金制品。硬质合金的基体由两部分组成：一部分是硬化相；另一部分是粘结金属。硬 化相是元素周期表中过渡金属的碳化物，如碳化钨、碳化钛、碳化钽，它们的硬度很 高，熔点都在20 0 0 以上，有的甚至超过40 0 0 。另外，过渡金属的氮化物、硼化 物、硅化物也有类似的特性，也可以充当硬质合金中的硬化相。硬化相的存在决定了 合金具有极高硬度和耐磨性。粘结金属一般是铁族金属，常用的是钴和镍。 硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性 能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在5 0 0 * ( 2 的温度下也基本保持不变，在10 0 0 时仍有很高的硬度。硬质合金的这些性能，使它成为我们试验的摩擦副的不二选 择。 常用的硬质合金以w c 为主要成分，根据是否加入其它碳化物而分为以下几类： 1 、钨钴类( w c + c o ) 硬质合金( y g ) 它由w c 和c o 组成，具有较高的抗弯强度的韧性，导热性好，但耐热性和耐磨 性较差，主要用于加工铸铁和有色金属。细晶粒的y g 类硬质合金( 如y g 3 x 、 y g 6 x ) ，在含钴量相同时，其硬度、耐磨性比y g 3 、y g 6 高，强度和韧性稍差，适 用于加工硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、硬青铜等。 2 、钨钛钴类( w c + t i c + c o ) 硬质合金( y t ) 1 7 由于t i c 的硬度和熔点均比